Linux 信号（signal）

Posted 2021-08-08 Heavy sea

对于 Linux来说，实际信号是软中断，许多重要的程序都需要处理信号。信号，为 Linux 提供了一种处理异步事件的方法。比如，终端用户输入了 ctrl+c 来中断程序，会通过信号机制停止一个程序。

一、 信号概述

1、信号的名字和编号：

每个信号都有一个名字和编号，这些名字都以“SIG”开头，例如“SIGIO ”、“SIGCHLD”等等。
信号定义在signal.h头文件中，信号名都定义为正整数。
具体的信号名称可以使用kill -l来查看信号的名字以及序号，信号是从1开始编号的，不存在0号信号。kill对于信号0又特殊的应用。

2、信号的处理：

信号的处理有三种方法，分别是：忽略、捕捉和默认动作

• 忽略信号，大多数信号可以使用这个方式来处理，但是有两种信号不能被忽略（分别是 SIGKILL和SIGSTOP）。因为他们向内核和超级用户提供了进程终止和停止的可靠方法，如果忽略了，那么这个进程就变成了没人能管理的的进程，显然是内核设计者不希望看到的场景。
• 捕捉信号，需要告诉内核，用户希望如何处理某一种信号，说白了就是写一个信号处理函数，然后将这个函数告诉内核。当该信号产生时，由内核来调用用户自定义的函数，以此来实现某种信号的处理。
• 系统默认动作，对于每个信号来说，系统都对应由默认的处理动作，当发生了该信号，系统会自动执行。不过，对系统来说，大部分的处理方式都比较粗暴，就是直接杀死该进程。
  具体的信号默认动作可以使用man 7 signal来查看系统的具体定义。

其实对于常用的 kill 命令就是一个发送信号的工具，kill 9 PID来杀死进程。比如，我在后台运行了一个 top 工具，通过 ps 命令可以查看他的 PID，通过 kill 9 来发送了一个终止进程的信号来结束了 top 进程。如果查看信号编号和名称，可以发现9对应的是 9) SIGKILL，正是杀死该进程的信号。而以下的执行过程实际也就是执行了9号信号的默认动作——杀死进程

信号处理函数的注册
信号处理函数的注册不只一种方法，分为入门版和高级版

入门版：函数signal
高级版：函数sigaction

信号处理发送函数
信号发送函数也不止一个，同样分为入门版和高级版
1.入门版：kill
2.高级版：sigqueue

二、信号编程–入门版

1.注册和处理函数

#include <signal.h>

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

根据函数原型可以看出由两部分组成，一个是真实处理信号的函数，另一个是注册函数了。
对于sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);函数来说，signum 显然是信号的编号，handler 是中断函数的指针。
同样，typedef void (*sighandler_t)(int);中断函数的原型中，有一个参数是 int 类型，显然也是信号产生的类型，方便使用一个函数来处理多个信号。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>

void handler(int signum)
{
        printf("signum:%d\\n",signum);

        switch(signum){
                case 2:
                        printf("SIGINT!\\n");
                        break;
                case 9:
                        printf("SIGKILL!\\n");
                        break;
                case 10:
                        printf("SIGUSR1!\\n");
                        break;
        }

}

int main()
{
        signal(SIGINT,handler);
        signal(SIGUSR1,handler);
        signal(SIGKILL,handler);

        while(1);

        return 0;
}

通过signal函数注册了一个信号处理函数，分别注册了三个信号，通过while循环维持这一进程。在信号处理函数捕捉这些信号，更改这些信号的默认处理方式。
比如我们直接在终端上输入Crt + C 即发送了SIGINT信号，按照SIGINT默认处理方式是结束这一进程，但它的默认处理已经被我们更改了，则进程不会退出。但值得注意的是，SIGKILL并不会被我们更改。

2.信号发送函数

函数原型

int kill(pid_t pid, int sig);

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc,char **argv)
{
        int signum;
        int pid;

        if(argc != 3){
                printf("param error!\\n");
        }

        signum = atoi(argv[1]);
        pid = atoi(argv[2]);


        printf("signum=%d,pid=%d\\n",signum,pid);

        if( kill(pid,signum)!= -1 ){
                printf("send signal ok!\\n");
        }

        return 0;
}

在终端上运行一个程序，使用ps命令获取运行程序的进程号，以发送SIGKILL命令为例，运行上述代码

发送SIGKILL命令成功！程序显示已杀死

三、信号编程–高级版（携带消息）

在上面的信号编程入门版中，实现了信号的发送。高级版则在信号发送过程中携带了消息。

sigaction 的函数原型

#include <signal.h>
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

struct sigaction {
   void       (*sa_handler)(int); //信号处理程序，不接受额外数据，SIG_IGN 为忽略，SIG_DFL 为默认动作
   void       (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //信号处理程序，能够接受额外数据和sigqueue配合使用
   sigset_t   sa_mask;//阻塞关键字的信号集，可以再调用捕捉函数之前，把信号添加到信号阻塞字，信号捕捉函数返回之前恢复为原先的值。
   int        sa_flags;//影响信号的行为SA_SIGINFO表示能够接受数据
 };
//回调函数句柄sa_handler、sa_sigaction只能任选其一

在函数原型中，第一个参数signum应该就是注册的信号的编号；第二个参数act如果不为空说明需要对该信号有新的配置；第三个参数oldact如果不为空，那么可以对之前的信号配置进行备份，以方便之后进行恢复。

• struct sigaction结构体中的 sa_handler不携带数据，作用与入门版类似。
• struct sigaction结构体中的 sa_mask 默认情况下在捕捉函数调用前为阻塞。
• struct sigaction结构体中的 sa_flags 常设置为SA_SIGINFO，表式能够获取数据，说明了信号处理程序带有附加信息，也就是会调用 sa_sigaction 这个函数指针所指向的信号处理函数。否则，系统会默认使用 sa_handler 所指向的信号处理函数。

注意：sa_sigaction 和 sa_handler 使用的是同一块内存空间，相当于 union，所以只能设置其中的一个，不能两个都同时设置。

struct siginfo结构体说明

void (*sa_sigaction)（int signum,siginfo_t *info,void *ucontext); void* 是接收到信号所携带的额外数据；而struct siginfo这个结构体主要适用于记录接收信号的一些相关信息。

 siginfo_t {
               int      si_signo;    /* Signal number */
               int      si_errno;    /* An errno value */
               int      si_code;     /* Signal code */
               int      si_trapno;   /* Trap number that caused
                                        hardware-generated signal
                                        (unused on most architectures) */
               pid_t    si_pid;      /* Sending process ID */
               uid_t    si_uid;      /* Real user ID of sending process */
               int      si_status;   /* Exit value or signal */
               clock_t  si_utime;    /* User time consumed */
               clock_t  si_stime;    /* System time consumed */
               sigval_t si_value;    /* Signal value */
               int      si_int;      /* POSIX.1b signal */
               void    *si_ptr;      /* POSIX.1b signal */
               int      si_overrun;  /* Timer overrun count; POSIX.1b timers */
               int      si_timerid;  /* Timer ID; POSIX.1b timers */
               void    *si_addr;     /* Memory location which caused fault */
               int      si_band;     /* Band event */
               int      si_fd;       /* File descriptor */
}

其中的成员很多，si_signo 和 si_code 是必须实现的两个成员。可以通过这个结构体获取到信号的相关信息。
关于发送过来的数据是存在两个地方的，sigval_t si_value这个成员中有保存了发送过来的信息；同时，在si_int或者si_ptr成员中也保存了对应的数据。

例子

接收端

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

void handler(int signum,siginfo_t *info,void *ucontext)
{
        printf("get signum=%d\\n",signum);
        //	判断是否有数据
        if(ucontext != NULL){
        		//	保存发送过来的信息
                printf("get data = %d\\n",info->si_int);
                printf("from %d\\n",info->si_pid);
                // 接收数据
                printf("get data = %d\\n",info->si_value.sival_int);
        }

}

int main()
{
        struct sigaction act;

        printf("pid = %d\\n",getpid());

        act.sa_sigaction = handler;
        act.sa_flags = SA_SIGINFO;

        sigaction(SIGUSR1,&act,NULL);

        while(1);

        return 0;
}

发送端：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc,char **argv)
{
        if(argc != 3){
                printf("param error!\\n");
        }

        int signum = atoi(argv[1]);
        int pid = atoi(argv[2]);
		
		// 联合体
        union sigval value;
        // 发送数据，也可以发送字符串
        value.sival_int = 100;

		//	发送信号
        sigqueue(pid,signum,value);

        printf("pid = %d\\n",getpid());

        return 0;
}

使用这个函数之前，必须要有几个操作需要完成

1. 使用 sigaction 函数安装信号处理程序时，制定了 SA_SIGINFO 的标志。
2. sigaction 结构体中的 sa_sigaction 成员提供了信号捕捉函数。如果实现的时 sa_handler 成员，那么将无法获取额外携带的数据。

sigqueue 函数只能把信号发送给单个进程，可以使用 value 参数向信号处理程序传递整数值或者指针值。

sigqueue 函数不但可以发送额外的数据，还可以让信号进行排队（操作系统必须实现了 POSIX.1的实时扩展），对于设置了阻塞的信号，使用 sigqueue 发送多个同一信号，在解除阻塞时，接受者会接收到发送的信号队列中的信号，而不是直接收到一次。

但是，信号不能无限的排队，信号排队的最大值受到SIGQUEUE_MAX的限制，达到最大限制后，sigqueue 会失败，errno 会被设置为 EAGAIN。